【現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)力學(xué)課件】12.1疲勞

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1、第十二章 疲勞與斷裂 在特定外界條件下工作的構(gòu)件，雖然所受應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，但服役一定時(shí)間后，也可能發(fā)生突然脆斷。這種與時(shí)間有關(guān)的低應(yīng)力脆斷稱(chēng)為延滯斷裂。 外界條件可以是應(yīng)力，如交變應(yīng)力；也可以是環(huán)境介質(zhì)，如腐蝕介質(zhì)、氫氣氛或熱作用等。 由交變應(yīng)力引起的延滯斷裂，就是疲勞斷裂； 而在靜載荷與環(huán)境聯(lián)合作用下引起的延滯斷裂，叫做靜載延遲斷裂，或稱(chēng)靜疲勞； 疲勞與斷裂是材料、構(gòu)件和機(jī)械最常見(jiàn)的失效方式，約占構(gòu)件全部失效的5090。 12.1 疲勞 12.2 低溫?cái)嗔雅c疲勞 12.3 高溫蠕變與疲勞 12.4 環(huán)境斷裂氫脆 12.1 疲 勞 一、疲勞概念 1、疲勞 2、疲勞失效的特點(diǎn) 二、疲勞裂紋

2、擴(kuò)展的物理模型 1、疲勞失效過(guò)程 2、幾種物理模型 3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征 一、疲勞概念 1、疲勞 材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用下發(fā)生的破壞稱(chēng)為疲勞破壞或疲勞失效。 影響構(gòu)件疲勞行為的因素很多，可以分為四類(lèi)：材料、外載荷、環(huán)境條件和構(gòu)件的形狀和尺寸。 按外載荷的大小，疲勞可分為高周疲勞和低周疲勞。對(duì)于金屬材料，通常把疲勞失效周次N f104105的疲勞稱(chēng)為高周疲勞，反之稱(chēng)為低周疲勞； 若每個(gè)周期內(nèi)的載荷參量不隨時(shí)間而變化，稱(chēng)為恒幅疲勞，否則則為變幅疲勞； 由變動(dòng)的外載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用的疲勞為腐蝕疲勞； 溫度高于再結(jié)晶溫度或高于(0.50.6)Tm時(shí)的疲勞，屬于高溫疲勞，Tm為

3、金屬的熔點(diǎn)； 由于溫度的變化形成的變動(dòng)熱應(yīng)力引起的疲勞，稱(chēng)為熱疲勞； 低溫影響材料的疲勞行為，還沒(méi)有關(guān)于低溫疲勞的確切定義； 應(yīng)變速率大于10 2/s的疲勞問(wèn)題屬于沖擊疲勞。 2、疲勞失效的特點(diǎn) (1) 疲勞斷裂表現(xiàn)為低應(yīng)力下的破壞斷裂 疲勞失效在遠(yuǎn)低于材料的靜載極限強(qiáng)度甚至遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度下發(fā)生。 (2) 疲勞破壞宏觀(guān)上無(wú)塑性變形 與靜載荷作用下材料的破壞相比，具有更大的危險(xiǎn)性 。(3) 疲勞是與時(shí)間有關(guān)的一種失效方式，具有多階段性 疲勞失效過(guò)程是累積損傷的過(guò)程。由交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用引起的損傷是隨著載荷次數(shù)逐次增加的，如圖12.3所示 : 圖12.3 碳鋼的疲勞積累損傷曲線(xiàn) (4) 與單

4、向靜載斷裂相比，疲勞失效對(duì)材料的微觀(guān)組織和缺陷更加敏感 這是因?yàn)槠谟袠O大的選擇性，幾乎總是在構(gòu)件材料表面的缺陷處發(fā)生。 (5)疲勞失效受載荷歷程的影響 過(guò)載損傷會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的下降(如圖12.3所示) 圖12.4為鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，加載到A點(diǎn)卸載再重新加載，其抗拉強(qiáng)度b與末卸載的相同，即未受到載荷史的影響。 圖12.4 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn) 一定的過(guò)載也可能延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，延長(zhǎng)疲勞壽命，如圖12.5所示。 圖12.5 過(guò)載引起疲勞裂紋擴(kuò)展延滯效應(yīng) 二、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型 1、疲勞失效過(guò)程 疲勞裂紋的擴(kuò)展，一般可分為三個(gè)階段，如圖12.6所示。 圖12.6 da/dNK曲線(xiàn)及其微觀(guān)機(jī)制

5、示意圖 K th疲勞門(mén)檻值； Kc最終斷裂強(qiáng)度因子； K應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值。 整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程可以近似地以“s”形曲線(xiàn)來(lái)描述： A段為第一階段，K小，擴(kuò)展速率低，da/dNl0-6mm/次，為非連續(xù)區(qū)，呈現(xiàn)一種結(jié)晶學(xué)形態(tài)的斷口； B段為第二階段，da/dN10-5mm/次，為連續(xù)擴(kuò)展區(qū)，斷口形態(tài)以疲勞條紋為主； C段為第三階段，da/dN10-3mm/次，為失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，斷口形態(tài)以“韌窩”(dimple)、晶間斷裂或纖維狀為主。 2、幾種物理模型 根據(jù)疲勞斷口表面與應(yīng)力軸的相對(duì)位向，裂紋擴(kuò)展可分為切應(yīng)變型(第一階段擴(kuò)展)和正應(yīng)變型(第二階段擴(kuò)展)兩種。 根據(jù)裂紋擴(kuò)展的微觀(guān)機(jī)制，裂紋擴(kuò)展模型又可以分為三

6、類(lèi)：滑移型、鈍化型和再生核型，見(jiàn)表12.1： 3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征 （1）疲勞極限與疲勞門(mén)檻值 (Endurance Limit and Fatigue Thresholds) 疲勞極限是疲勞曲線(xiàn)水平部分所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它表示材料經(jīng)受無(wú)限多次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力。 疲勞門(mén)檻值是疲勞裂紋不擴(kuò)展的K最大值。 圖12.8 缺口試件中的應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)和疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展區(qū)示意圖 a 缺口試件中應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)簡(jiǎn)圖 b 光滑、缺口疲勞極限N與門(mén)檻值Kth的相互關(guān)系 圖中：max為最大應(yīng)力； 0與N為光滑與缺口疲勞極限； Kth為疲勞門(mén)檻值；Kt為應(yīng)力集中系數(shù)。 Lukas導(dǎo)出缺口與光滑試件疲勞

7、極限N與0的關(guān)系： 式中：Kt為應(yīng)力集中系數(shù)； Katb為基本門(mén)檻值，等于 ； 為缺口半徑； c為臨界應(yīng)力。 2114.110 catbtN KK thK21 疲勞極限與疲勞門(mén)檻值分別反映了交變載荷作用下材料對(duì)裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的抵抗力。因?yàn)榱鸭y的萌生與擴(kuò)展的機(jī)制不同，對(duì)于現(xiàn)有的金屬材料，在使疲勞極限提高的同時(shí)往往降低了疲勞門(mén)檻值，反之亦然。 （2）小疲勞裂紋的擴(kuò)展行為 在與長(zhǎng)裂紋相同的名義驅(qū)動(dòng)力下，小裂紋擴(kuò)展較快；在長(zhǎng)裂紋的門(mén)檻值之下，小裂紋仍以較高的速率擴(kuò)展，見(jiàn)圖12.9。 圖12.9 典型的小裂紋與長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展行為示意 小裂紋現(xiàn)象主要出現(xiàn)在下述三種情況： 裂紋長(zhǎng)度與材料的特征微觀(guān)尺寸相比不

8、夠大； 裂紋長(zhǎng)度與裂紋尖端前方的塑性區(qū)尺寸相比不夠大； 裂紋長(zhǎng)度小于某一值。 （3）裂紋閉合行為 裂紋閉合現(xiàn)象是指疲勞裂紋在外加拉應(yīng)力作用下，裂紋張開(kāi)位移仍為零的狀態(tài)。 一般認(rèn)為裂紋閉合的機(jī)制有三種： 塑性誘發(fā)(Plasticity-Induced)閉合 氧化物誘發(fā)(Oxide-Induced)閉合 粗糙度誘發(fā)(Roughness-Induced)閉合 （圖12.7） 圖12.7 裂紋閉合的三種形式 Elber根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的裂紋閉合現(xiàn)象提出了有效應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念，定義為 ： 式中： 最大應(yīng)力強(qiáng)度因子； 裂紋完全張開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子； 有效應(yīng)力強(qiáng)度因子。 即裂紋擴(kuò)展的有效驅(qū)動(dòng)力。通過(guò) 可

9、以解釋?xiě)?yīng)力比R對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響。如圖12.10所示。 opeff KKK m axm axKopK effK effK effK 圖12.10 a裂紋閉合應(yīng)力強(qiáng)度因子 / 與 的變化 b 裂紋擴(kuò)展速率與 和 的關(guān)系 clK m axK KeffKK （4）變幅載荷下的裂紋擴(kuò)展 超載下的延緩效應(yīng)(Retardation effect) 圖12.11 不同形式的超載對(duì)裂紋擴(kuò)展及壽命的影響 可以看出:單個(gè)拉應(yīng)力超載和壓-拉超載對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展具有最大的延緩效應(yīng)；而拉-壓超載較前二者的延緩效應(yīng)為??；單個(gè)壓縮超載對(duì)裂紋擴(kuò)展速率影響不大。 超載后產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展延緩效應(yīng)的主要因素有三個(gè)： a、裂紋尖端前方超

10、載塑性區(qū)內(nèi)的殘余壓應(yīng)力阻止裂紋的延伸； b、裂紋尖端后方的閉合效應(yīng)阻止裂紋張開(kāi)； c、裂紋尖端前方超載塑性區(qū)內(nèi)晶體缺陷密度的增加進(jìn)一步阻止裂紋的延伸。 1989年McEvily等對(duì)100超載下的鋁合金延緩效應(yīng)作了定量分析，發(fā)現(xiàn)延緩周次與超載塑性區(qū)尺寸和試樣厚度的比值呈U形變化關(guān)系，見(jiàn)圖12.12。 圖12.12 延緩周次（Nd）隨超載（OL）塑性區(qū)尺寸與試樣厚度比值的變化 導(dǎo)出的延緩周次關(guān)系式為 ： 式中： A 為試驗(yàn)常數(shù)； 為屈服強(qiáng)度； 為超載應(yīng)力強(qiáng)度因子； E .C.為“過(guò)度閉合”(Excess Closure)，可用下式表示： 222 )( 1).( 1 ththyOLd KKKCEKAKN y OLK 2.1222exp16.0. BKKCE yOLOL 變幅載荷下裂紋擴(kuò)展特征 在變幅加載下的裂紋擴(kuò)展速率和恒幅加載下的擴(kuò)展速率不同。除上述超載延緩效應(yīng)外，裂紋擴(kuò)展還會(huì)出現(xiàn)停滯或加速。